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Im Power Bauelement integrierter T-Sensor

IP.com Disclosure Number: IPCOM000020532D
Published in the IP.com Journal: Volume 3 Issue 12 (2003-12-25)
Included in the Prior Art Database: 2003-Dec-25
Document File: 7 page(s) / 1M

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Die Ueberwachung der Temperatur eines Leistungsbauelements (LB, z.B. MOSFET oder IGBT-Transistor) und die entsprechende Bauelementsteuerung spielen eine entscheidende Rolle in Situationen, in denen die erzeugte Verlustleistung zu einer fuer das Bauelement kritischen Temperatur fuehren kann. Bisherige Temperatursensoren (T-Sensoren) verwenden zwei Bipolar-Transistoren zur Bestimmung der Temperatur. Zur korrekten Funktionsweise muessen (idealerweise) beide Transistoren gleiche Temperatur aufweisen. Dies fuehrt zu einer unerwuenschten hohen Empfindlichkeit gegenueber Temperaturgradienten. Deshalb werden die T-Sensoren weit entfernt von den Hitzequellen angeordnet, was die Temperaturbestimmung ungenauer werden laesst. Es wird vorgeschlagen den Temperatur-Sensor in das Leistungsbauelement zu integrieren. Dabei ist der Sensor galvanisch vom Substrat und Leistungsbauelement getrennt. Der Sensor wird in der Naehe des heissesten Punktes angebracht, oberhalb des nicht-geschalteten (nicht-funktionalen) Bereichs. Weiterhin hat der T-Sensor keine gemeinsame Flaeche mit dem Gate. Der Temperatur-Sensor wird in eine Isolationsschicht (z.B. in ein Oxid) platziert (Abb. 1 bis 4). Er hat eine gute thermische Kopplung mit dem LB. Dies kann durch den Einbau einer Metallplatte zum heissesten Punkt unterstuetzt werden.

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S

Im Power Bauelement integrierter T-Sensor

Idee: Marie Denison, DE-Muenchen; Dr. Wolfgang Horn, AT-Villach; Werner Schwetlick, DE- Muenchen

Die Ueberwachung der Temperatur eines Leistungsbauelements (LB, z.B. MOSFET oder IGBT- Transistor) und die entsprechende Bauelementsteuerung spielen eine entscheidende Rolle in Situationen, in denen die erzeugte Verlustleistung zu einer fuer das Bauelement kritischen Temperatur fuehren kann. Bisherige Temperatursensoren (T-Sensoren) verwenden zwei Bipolar-Transistoren zur Bestimmung der Temperatur. Zur korrekten Funktionsweise muessen (idealerweise) beide Transistoren gleiche Temperatur aufweisen. Dies fuehrt zu einer unerwuenschten hohen Empfindlichkeit gegenueber Temperaturgradienten. Deshalb werden die T-Sensoren weit entfernt von den Hitzequellen angeordnet, was die Temperaturbestimmung ungenauer werden laesst.

Es wird vorgeschlagen den Temperatur-Sensor in das Leistungsbauelement zu integrieren. Dabei ist der Sensor galvanisch vom Substrat und Leistungsbauelement getrennt. Der Sensor wird in der Naehe des heissesten Punktes angebracht, oberhalb des nicht-geschalteten (nicht-funktionalen) Bereichs. Weiterhin hat der T-Sensor keine gemeinsame Flaeche mit dem Gate. Der Temperatur- Sensor wird in eine Isolationsschicht (z.B. in ein Oxid) platziert (Abb. 1 bis 4). Er hat eine gute thermische Kopplung mit dem LB. Dies kann durch den Einbau einer Metallplatte zum heissesten Punkt unterstuetzt werden.

Der Temperatur-Sensor besteht aus einem Bauelement, das eine leicht interpretierbare Temperaturabhaengigkeit aufweist. Dies kann z.B. ein Poly-Widerstand oder eine Poly-Diode sein. Die Temperaturabhaengigkeit der Diodenspannung einer Poly-Diode kann z.B. zur Herleitung der Temperatur verwendet werden. Hierzu muss das Polysilizium die geeignete n+/p+ Dotierung aufweisen. Bei der Integration eines T-Sensors im Layout von Leistungsbauelementen (Abb. 5 bis 7), wird der Sensor bspw. am Gate entlang verdrahtet. Unter Umstaenden bieten sich zur Verdrahtung des Sensors zusaetzliche Metallebenen an.

Ausserdem ist eine Selbstregulierung der Schaltschwelle in Abhaengigkeit von der Temperatur vorgesehen. Dazu wird eine Schaltung zur Bestimmung der Referenztemperatur weit entfernt von der Waermequelle angeordnet. Der Temperaturunterschied zwischen dem Hot-Spot (T-HS) und der Referenz (T-C) wird erfasst und verringert entsprechend die Schaltschwelle (Abb. 8). Diese Verringerung der Temperaturschwelle wird erreicht, indem eine Spannungsdifferenz VA-VB eingefuehrt wird, die proportional zur Differenz von T-HS und T-C ist (Abb. 9).

Abb. 10 zeigt eine schaltungstechnische Realisierung. Rsense ist der neuartige Temperatursensor, der die Hot-Spot-Temperatur erfasst. Der Nominalwert von Rsense ist gleich dem von R3. R3 ist jedoch nahe T1 und T2 angeordnet (weit von der Hitzquelle entfernt)....